导向钻井工具

1、第五节地质导向钻井使用的工具和常规钻井技术和导向钻井技术相比，地质导向钻井技术除了使用的仪器有较大的区别 外，在使用钻井工具方面也有很大的差别。由于地质导向钻井技术是在导向钻井技术的基础 上发展起来的，因此地质导向钻井技术所用的一些工具自然也包含了导向钻井所用的工具， 同时也包含其它的通用钻井工具。同时，在关于地质导向工具分类的问题上，目前仍没有一个统一的说法，有人认为能用 于地质导向施工的钻井工具都可归纳为地质导向钻井工具，但也有人认为地质导向工具主要 指具有地质导向功能的钻井工具。在此，本书将具有地质导向功能的钻井工具归纳为地质导 向工具，并从导向钻井工具、地质导向工具和通用钻井工具三部分

2、对用于地质导向钻井施工 的钻井工具进行介绍。第一部分导向钻井工具导向钻井工具包括井下动力钻具、稳定器、震击器、减震器、井下液压加力器等工具。一、井下动力钻具井下动力钻具是一种把液体压力能转换为机械能的钻井工具。当泥浆泵产生的高压泥浆 流经井下动力钻具时，井下动力钻具的转子在泥浆压力的驱动下绕定子的轴线旋转，产生的 扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。随着导向钻井技术不断发展，作为导向钻井的必备工具，井下动力钻具也随之发生了巨 大变化。目前用于导向钻井的动力钻具具有以下特征：1、用于不同的井眼尺寸、造斜率、输出扭矩、钻头转速、泥浆排量、随钻或转动的施 工需要；2、能用于水平

3、井、欠平衡钻井、分枝井、连续油管等钻井作业施工；3、能适用于任何泥浆体系施工，包括清水或盐水泥浆、水基泥浆、油基泥浆、合成油 基泥浆、聚合物泥浆以及空气或泡沫泥浆；4、动力钻具具有不同的转速和扭矩，能在不同的地层、不同的施工要求中使用相应的 动力钻具，以充分提高施工效率；5、可以和三牙轮钻头、碳化钨镶齿钻头、铣齿钻头、PDC钻头、金刚石钻头配合使用；6、可靠性得到大幅度提高，能满足长时间施工的需要。7、和其它技术相结合，性能得到进一步完善，已经逐步发展成为一种综合性钻井工具。（一）、井下动力钻具的结构井下动力钻具的结构没有统一的规定，但一般都包括以下几个部分：旁通阀总成、驱动 总成、万向轴总成

4、、传动轴总成、弯壳体和稳定器总成。弯壳体/稳定器总成传动轴万向轴驱动总成总成总成旁通阀总成图、井下动力钻具的结构1、旁通阀总成旁通阀总成的工作原理是泥浆流量经阀芯内孔，在孔两端产生压力差，见图画2-28。 当泥浆流量达到动力钻具正常工作最小流量要求以上时，上端压力大于下端压力，此压力差 克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭，泥浆流经井下马达，把压力能转换为机械能，见图 2-28A。当泥浆流量低于动力钻具正常工作最小流量时或停泵时，压力差不足以把阀芯下压， 弹簧把阀芯顶起，旁通孔导通，泥浆由旁通阀流出，见图2-28B。旁通阀装于驱动总成的上方，主要作用是下钻过程中泥浆能通过旁通阀进入钻杆，起钻 过

5、程中钻杆里面的泥浆有能从旁通阀流出来。在特殊需要的情况下也可进行低排量循环。旁 通阀总成有一个阀门，在压差没有大到把它压下直至关闭的情况下，它使钻杆里面与井眼环 空连通。如果泥浆含砂量很高，为防止旁通阀被堵，或者在使用空气/气体钻井时，不使用 旁通阀动力钻句仍然能工作。旁通阀的扣型一般都采用标准扣或通用的工业扣，方便使用或不使用旁通阀的钻井施 工。在旁通阀和驱动总成之间可以装一个弯壳体，可以减少钻头到弯壳体之间的距离，增加 了钻头的偏心效果，同时也可利用双弯壳体满足某些特殊作业的施工。A：旁通阀通B：旁通阀关图2-28旁通阀结构示意图2、驱动总成驱动总成由定子和转子两部分组成，见图2-29。转

6、子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀 镀层的左旋螺杆。定子是在经过机械加工的钢管内壁上用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的定子 橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。在转子装入定子之后，任意截取一个垂直于轴线的截面，它 们两者均是共轭啮合的，因此，绕轴线的左螺旋杆上有一系列啮合点，这些啮由合点封闭起 来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。随着螺杆在定子中的运动，逐步沿轴 向移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。总成结构示意图造橡胶定子少图2-29驱动构其构造形式都一样，只是钢动力钻具的定、转子采用瓣状结木一个瓣形轮，其独特的几何结构和运动方式都有利于减少接触压力、滑动摩擦、震动和磨损， 从而延长了定、

7、转子的使用寿命。同时考虑到施工过程中各种参数都会不同，包括泥浆比重、 粘度、温度、固相含量、堵漏材料以及地层流体和地层中的气体对定子橡胶的化学作用，动 力钻具全部采用抗冲蚀、腐蚀及磨损的材料制造，以充分发挥其其工作寿命。高排量或低降钻有些动力钻具的转子轴心可以采用带喷嘴的中空转子中空结构以满足r TFFf_头转速的施工而要。fL3、万向轴总成万向轴总成位于转子下端，如图2-30所示。其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到 传动轴上，实现把转子的偏心运动转换成传动轴的定轴转动，同时承受钻压所产生的轴向和 径向负荷。万向轴总成由止推轴承、径向轴承、限流环和驱动轴共同组成。对大尺寸的动力钻具而 言，止

8、推轴承一般采用多级定轨组合结构设计，主要功能是承受轴向方向作用在动力钻具上 的力；于小尺寸的动力钻具则采用碳化摩擦轴承。径向轴承装在止推轴承的两端，主要用于 吸收传动轴产生的径向负荷。流经动力钻具的5-8%的流体用于冷却万向轴总成，流经万向轴总成的流体流量是由限 流环控制的，不同尺寸的限流环产生不同的压降。图2-30万向轴4、传动轴总成传动轴总成结构示意图见2-31，其作用:! m -已 m 总成结构意图达的转速和扭矩传递给钻头。图2-31传动轴总成结构示意图5、弯壳体和稳定器总成弯壳体是加工成一定角度的动力钻具的外壳，而为了满足不同造斜率和不同施工的需 要，在动力钻具外壳上焊接或安装一个或稳

9、定器。弯壳体一般包括可调角度弯壳体、固定角度弯壳体、直弯壳体以及其它弯壳体。采用可 调角度弯壳体，弯壳体角度可以在地面或井下调整，调范围为一般为0到3，而要调整 或更换固定角度弯壳体、直弯壳体以或偏心弯壳体则必须在车间进行。稳定器包括可调尺寸稳定器、偏心稳定器、偏心块、套装稳定器等。可调角度弯壳体、固定角度弯壳体、弯接头、稳定器及偏心块都可与动力钻具进行组合， 共同用于定向钻施工，以达到不同的施工效果，满足不同的施工需要。（二）、用于导向钻井施工的动力钻具由于钻井技术和施工工艺的限制，井下动力钻具是目前仍是导向钻井施工中普遍采用的 一种井下工具。为了满足不同的施工要求和达到不同的施工目的，井下

10、动力钻具在其发展过 程中先后出现了多种类型，如单弯动力钻具、异向双弯动力钻具、铰接式动力钻具、可调弯 度动力钻具、可调稳定器动力钻具、井下可调径动力钻具等。这些井下动力钻具由于各种原 因，目前都还在现场施工中应用。1、异向双弯动力钻具（DTU）异向双弯动力钻具是在普通单弯的基础上改制的，是最初用于导向钻井的专用工具。异向双弯动力钻具外壳上设有两个弯点，一个是在旁通阀和驱动总成之间的驱动总成部 分装配的一个弯壳体，另一个是在万向轴上方的驱动总成部分装配的一个弯壳体。两个弯点 所形成的钻具弯曲方向正好相反。如图2-32所示。旁通阀 上部弯壳体 驱动部分 下部弯壳体稳定器图2-32异向双弯动力钻具结

11、构示意图与单弯钻具相比，异向双弯组合钻头偏移量减少，动力钻具各部分所受应力降低，可使 钻出的井眼更趋平滑。异向双弯由于能满足轨迹小幅度调整的需要，转动过程中产生的扭矩小，在水平段导向 过程中使用较多。2、单弯动力钻具图2-33单弯动力钻具（1）图2-34单弯动力钻具（2）单弯动力钻具将接头是指动力钻具本体上只装配一个弯壳体的动力钻具。根据不同的施 工要求。弯壳体可以装在钻具的下部，也可装在钻具的上部。弯壳体可以是固定角度的，也 可是可调角度的（见图2-32、2-34）。同时，在弯壳体上可以装配稳定器（见图2-32）或稳定块、偏心块（见图2-33）。稳定 器、稳定块、偏心块可以是固定的，也可以是

12、现场可调的。单弯动力钻具在导向钻井施工中使用是最多的，主要用来定向、调整轨迹及提高机械钻 速。3、铰接式动力钻具在中小曲率的水平井中施工，需要动力钻具的造斜率达到140 /100m以上，为了井下 动力钻具的造斜能力能够满足需要以及确保施工的安全，要求动力钻具必须有足够高的造斜 能力并且其刚性不能太强。钗接动力钻具就是在这样的要求下产生的（见图2-35），它在受 外力不大的情况下，弯曲并不厉害，可以转动，并且可以沿弯曲轴向在一定的范围内活动。 当动力钻具在井下承受一定的钻压后，动力钻具下部弯壳体沿轴向弯曲方向尽量弯曲，其造 斜能力得到充分发挥。MWD绞接部位动力钻具绞接部位下部驱动 部分上部驱动

13、, 部分MWD 脉冲发生器图2-35绞接双驱动动力钻具侧向型动力钻具。构造型动力钻具依靠缩短这种绞接式结构一般用于构造型动力钻J 绞接马达部分的长度来缩短钻头到MWD之间 提高机械钻速。则向型动力钻具可以装配三个驱动以Sperry-Sun 公司小曲率动力钻具技术规范丁具尺寸(mm)1209373设计曲率(m)1390139013.7适用井眼尺寸(mm6114.3.12098.4.108造斜点以上井眼最小尺寸(mm)125 4 155.6.158.8117.5.123.8101.6.111.4丁具外径(mm)120mm93mm73mm转速(rpm)105-262128-

14、256120-480长度(m)4.544.542.62重量(Kg)25813534君E量(gpm)100-250100-16020-80最大扭矩(ft-lb)300300500最大压差(Psi)750465160上部扣型根据需要配根据需要配根据需要配推荐上扣扭矩(ft-lb)5.0003.6002.000下部扣型3-1/2 Reg.2-7/8 Reg.2-3/8 Reg.推荐上扣扭矩(ft-lb)7.0005.0002.0004、双驱动动力钻具双驱动动力钻具可以装配两个标准的驱动总成(见图2-36),以此提高输出扭矩及高压 环境下维持钻头的转速。两个驱动马达同步工作，可大幅度提高施工效率。同时

15、，在高压环 境下施工，动力钻具的失速压力明显增加，转子的寿命也明显延长。上部驱动部上部稳定器下部驱动部下部稳定器图2-36双驱动动力钻具5、带仪器的动力钻具随着地质导向钻井技术的发展，地质导向工具日益引起了人们的重视。在发展地质导 向工具的过程中，人们将地质导向仪器电阻率传感器、自然伽玛传感器、近钻头传感器和动 力钻具组装到一起，形成了带仪器的动力钻具。目前Slumberger公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Sperry-Sun公司等公司都有这方面的产品，有关这种工具的详细介绍见本节“地质 导向工具”部分。图2-37是SPERRY-SUN公司的地质导向工具IMM示意图。图2-

16、37带仪器动力钻具（IMM）6、可调径动力钻具可调径动力钻具是将可调径稳定器与正容积动力钻具组合到一起的动力钻具。由于可 调径稳定器外径可以在井下调整，因此提高了这中动力钻具对轨迹井斜的控制能力。关于这 种动力钻具的详细介绍见下面部分。图2-38是SPERRY-SUN公司的两种带稳定器的动力钻具的对比图。常规或地面可调稳定器SperryDrill.常规动力钻具图2-38 Sperry-Sun公司的两种带稳定器的动力钻具的对比图7、适宜于高转盘转速的动力钻具某些改进型的井下动力钻具可适用于转速度高达到200rpm的钻井施工，主要用于提高 钻井速度。8、适宜于空气或泡沫钻井的动力钻具某些特殊加工的

17、井下动力钻具可用于空气或泡沫循环媒体钻井施工，常用于欠平衡钻井 施工。9、适宜于合成泥浆体系钻井的动力钻具实践证明有些定子橡胶与部分新型合成泥浆体系发生相互反应，而导致整个动力钻具 不适应于在新型合成泥浆体系中施工。采用特殊的转子橡胶装配的动力钻具能适用于在新型 合成泥浆体系中施工。10、耐高稳动力钻具采用特殊的耐高温的定子橡胶，利用温度补偿措施，井下动力钻具可以在温度高达 160C的环境中和油基泥浆体系中施工。11、电动动力钻具（三）、实例介绍井下可调外径动力钻具井下可调外径动力钻具是在可更换近钻头稳定器的动力钻具和可调稳定器的基础上发 展起来的一种动力钻具，如图2-35所示。这种动力钻具的

18、特点是，在现场不需要更换靠近 钻头的稳定器，而是通过开关泵、钻具与井壁接触加压等方式控制稳定器翼片伸出或缩回， 从而在地面改变井下近钻头稳定器尺寸，以达到多滑动、少转动、尽量提高轨迹的延伸程度、 提高井下施工安全的目的。目 前，Slumberger 公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Halliburton 公司、Sperry-Sun 公司等专业化的钻井技术服务公司都有自己的可调外径动力钻具，在此主要介绍Sperry-Sun 公司可调径动力钻具AGMtm。Sperry-Sun公司可调径动力钻具AGMSperry-Sun公司的可调径动力钻具AGMtM ( Adjustable Ga

19、uge Mot or)首次将可调径稳 定器和正容积井下动力钻具PDM (Positive Displacement Motor)组合到一起。可调径稳定 器位于PDM的上方，用于控制转动钻进过程中小范围内( 1/100 ft)的井斜的变化，以使 轨迹更加平滑。由于稳定器翼片难以伸出到足够的长度，对于井斜变化很大(土 1-1/2 /100 ft) 的井段，AGM就难以达到理想的效果。实际施工表明，将可调径稳定器安装在正容积井下 动力钻具的下方对于井斜变化很大的井段的轨迹控制有很好的效果，但这种组合妨碍了动力 钻具性能的正常发挥。AGMtm在水平井和大位移井中施工，通过连续滑动钻进方式实现了轨迹的精

20、确调整， 使轨迹垂深得到精确控制，提高井眼清洁能力，提高了机械钻速。目前AGM系列工具有4-3/4”，6-3/4”和8”三种尺寸。对于4-3/4”和8”的AGMtm而言， 可调稳定器位于钻头上方2-4ft，而对6-3/4”的AGM而言，由于在钻头和可调稳定器之间安 装了近钻头井斜传感器ABI，从而使可调稳定器距离钻头的距离稍远一点。AGMtm稳定器外径的调整是通过开/关泵操作来实现的，而稳定器外径的大小可以通过 立关压力大小来判断。AGMtm每一条稳定器翼片含有4-5个活塞，井眼环空和钻具内部的 压差值不同，靠活塞控制的稳定器块的伸出长度就不同，由此控制泵压的大小，就可控制稳 定器外径的大小。

21、由于活塞缩回是靠弹簧向后的拉力来实现的，为了使稳定器翼片在工作中 伸、缩动作迅速，就要保证泥浆流经钻头时必须产生一定的最小压差(推荐450Psi)。当稳 定器翼片伸出时，泥浆流经AGMtm产生的压差可以忽略不计，而当稳定器翼片全部缩回时， 会产生约300Psi的压差，由此就可判断活塞/稳定器翼片的状况。AGMtm具有以下特征：1、通过旋转钻进方式控制井眼井斜，控制范围在3/100ft内。AGMtm旋转方式控制轨 迹的能力于动力钻具动力部分长度、上部稳定器位置和状态以及地层的增降斜能力有关。2、滑动钻进方式下，调整轨迹的能力在3/100ft左右，具体的调整轨迹的能力与动力 钻具弯度的大小、稳定器

22、外径大小等因素有关。3、翼片伸出、缩回两种状态下产生的压差约为300Psi，据此可以判断稳定器翼片的工 作状态。4、稳定器的两种尺寸是通过井眼环空和钻具内部之间的压差来控制的。控制方法简单， 通过开/关泵操作就可实现稳定器翼片伸出/缩回之间的转换。5、不需要通过在钻头上施加压力来固定稳定器的状态。6、可以和Sperry-Sun公司的任何Sperry Drill动力钻具联合使用。7、性能可靠，能满足长时间施工的需要。表2-28 Sperry-Sun公司可调外径动力钻具AGMtm主要技术规范动力钻具尺寸4-3/4(121mm)6-3/4(171mm)8(203mm)动力钻具长度29.639.540

23、.3连接扣型上部3-1/2 REG box4-1/2 REG box6-5/8 REG box下部3-1/2 REG box4-1/2 REG box6-5/8 REG box翼片外径活塞缩回5-1/2,5-3/47-7/811-3/8活塞伸出6,6-1/48-1/212-1/8活塞个数121515信号强度150-300Psi150-300Psi150-300Psi扣平面到稳定器距离 扣平面到弯点距离 可承受最大钻压 允许排量范围是否带ABI传感器 ABI传感器到钻头距离2.514.825000100-250否无1821.344.15000070000300-600是8.6600-900否无二

24、、稳定器在导向钻井过程中，为了有效控制井下工具的造斜能力，有时也需要在井下钻具配置稳 定器。常用的稳定器有普通稳定器、带仪器的稳定器、可调径稳定器，使导向钻井技术得到 了突飞猛进的发展。在导向钻井过程中，使用稳定器具有以下几个方面的特点：a）、在大斜度或水平井段使用旋转方式钻进时，具有更好的保径性能及耐磨性能。b）、在大斜度或水平段使用时，有利于传递钻压、减少摩阻。c）、在钻具组合中能更好地起到单点支撑作用，有利于控制井身轨迹达到设计要求。d）、在各类地层中都有良好的扶正效果，并使井径扩大率控制到最小。e）、减少泥浆流动的环空阻力，保证井眼畅通，起下顺利。f）、在测量对磁性干扰有特殊要求的场合

25、，稳定器应采用无磁材料。（一）、常用稳定器种类1、普通稳定器在导向钻井施工过程中，普通稳定器一般加接在紧靠在动力钻具的上面，有利于增强动 力钻具的刚性、合理改善转动钻进时井下钻具控制轨迹的能力，从而使造斜率均匀一致并保 证方位稳定。普通稳定器包括螺旋稳定器、无磁稳定器、滚子稳定器、偏心稳定器等。2、可变径稳定器随着导向技术的发展，国外许多公司钻井技术服务公司都成功研制了可变径稳定器以满 足导向钻井技术发展的需要。和其它类型的稳定器相比，可变径稳定器有如下优点：、稳定器上扶正片的伸缩可以在地面通过开、关泵来实现，避免了因轨迹控制的需要 而进行的起下钻作业，减少了工人的劳动强度。、同一钻具组合，因

26、稳定器外径不同，只利用转盘钻进方式就可实现轨迹的增、降斜 作业，避免了使用动力钻具施工时高扭矩、加压困难、钻具易粘卡等缺陷。、采用转盘钻方式，提高了机械钻速，节约了动力钻具的使用、维护费用，经济效益 显著。、采用转盘转进，避免了轨迹大起大落的变化，使轨迹更平滑，能使大位移定向井、 超深水平井、超长水平段的轨迹尽量向前延伸。、稳定器减少了井下钻具和井壁间的接触面积，改善了井下钻具的施工环境，加强了 井眼清洗效果，提高了施工的安全。由于可变径稳定器的上述优点，这种稳定器在导向钻井技术中得到了广泛的应用。目前 Slumberger 公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Halliburt

27、on 公司、Sperry-Sun 公司等专业 化的钻井技术服务公司都有自己的可变径稳定器。3、带仪器的稳定器带仪器的稳定器是指将测量、地质评价仪器与近钻头稳定器组装成一体的稳定器。目前带仪器的稳定器还只有Slumberger公司在施工中投入了使用，主要是将地质评价 仪器和近钻头稳定器组装到一起用于旋转钻井施工，有时为了改善导向钻进效果和及早获取地 层地质参数，该稳定器也和井下动力钻具一起使用。(二)、实例介绍在此介绍SPERRY-SUN公司生产的可变径稳定器AGStm和Halliburton公司的可变径稳 定器 TRACStm。1、Sperry-Sun公司的可调稳定器AGSSperry-Sun

28、公司的可调径稳定器AGSTM (Adjustable Gauge Stabilizer)是一种液压驱动 活塞运动从而改变其外径的稳定器。这种可调径稳定器有三个直条型或螺旋型的稳定翼，每 个稳定翼由4到5个活塞组成，活塞使用的是高强度的耐磨材料。活塞在钻具内部和井眼环 空之间的压差的作用下向外伸出，在不同的压差下，活塞伸出的幅度是不同的，从而实现了 变径的目的。由于活塞的回缩是靠弹簧的拉力来实现的，当压差低于一定的程度、活塞受到的推力低 于弹簧对活塞的拉力时，活塞就会缩回。因此，为了保证稳定器正常工作，必须保证井眼环 空和钻具内部之间存在不低于450Psi的压差。此外，当活塞缩回至停止位时，其自

29、身产生 的压差为零；当稳定器处于工作位置1时，稳定器自身产生的压差很小，可以忽略不计；当 活塞完全伸出、处于工作位置2时，会产生150-250Psi的压差。据此可以判断稳定器活塞的 伸出/缩回情况。AGStm的活塞有三个定位点，包括一个停止点和两个工作点。当活塞位于停止点时， 活塞表面低于稳定翼表面1/8” ；当活塞位于第一个工作点时，活塞表面与稳定翼表面平齐； 当活塞位于第二个工作点时，活塞完全伸出。稳定器尺寸不同，其外径变化幅度不同，总的 变化幅度在1/4”到3/4”之间。通过开关泵操作就可调整可调径稳定器AGStm外径，施工时工具就按设置好的外径的 尺寸工作。由于操作简单，现场施工完全能

30、满足精确控制井眼井斜的需要。旋螺稳控制主轴复位弹簧斜坡滑块,活塞柱状凸轮 锁卡塞 活翼 定二_r图 2-39 日perry-S（1）、可调径稳定器AGStm的工作原理及变径方法由于可调径稳定器AGStm尺寸的不同，每个稳定翼上的活塞数量也不同。如果稳定翼 上有五个活塞，那么这个稳定器就有五个，活塞的底部座卡于斜坡滑块中，每个斜坡滑块控 制三个活塞运动，每个稳定翼上同一截面位置上各一个。斜坡滑块的坡度是不同的，活塞的 底部处于斜坡滑块上的不同位置，其伸出的幅度就不同。下图表示的就是活塞位于斜坡滑块 不同位置时活塞伸出情况示意图。由该示意图可直，当活塞处于位置1时，这时活塞处于停 止位（活塞平面低

31、于稳定翼表面）；当活塞处于位置2时，这时活塞处于第一个工作点（活 塞平面与稳定翼表面平齐）；当活塞处于位置3时，这时活塞处于第二个工作点（活塞平面 高于稳定翼表面）。此外，控制主轴对斜坡滑地活塞的控制是同步进行的，活塞的运动没有 先后之分。图2-40活塞位于斜坡滑块不同位置时活塞伸出情况示意图斜坡滑块是受控制主轴控制的。控制主轴在压差的作用下被下压时，带动五个斜坡滑块 同时向下运动，推动活塞进入下一个定位点，进入定位点后如果压差继续存在则活塞稳定， 如果压差消失则斜坡滑块随控制主轴回到停止位。控制主轴主要控制斜坡滑块的运动，它能受到两个力的控制。第一是受压差产生的向下 的推力，第二是受扶位弹簧

32、对它产生的向上的拉力。开泵后，压差在控制主轴上产生向下的 推力推动控制主轴向下运动，同时与之连接的复位弹簧被拉长。压差消失，复位弹簧产生的 向上的拉力将控制主轴拉回。由此实现了可调径稳定器AGStm开泵活塞被推至下一个定位 点、停泵活塞复位至停止位的往复运动。控制主轴的定位又受柱状凸轮锁卡的控制。柱状凸轮锁卡有四个定位点，但是只有三种 定位效果。每开一次泵柱状凸轮锁卡动作一次，使控制主轴的位置也随着柱状凸轮锁卡的动 作而变化。柱状凸轮锁卡在动作的过程中，只能单向前进，不能往后退，因此受它控制的控 制主轴也只能循环往复的运动，如下图所示。位置B位置D位置A位置C位置A图2-41柱状凸轮锁卡的位置

33、的变化顺序示意图由上图可知，如果柱状凸轮锁卡的停止位是位置A，那么位置C也是一个停止位，二 者在实际构造中的位置不同，但控制控制主轴产生位移的效果是一样的（控制主轴处于同一 位置）。对应于活塞的位置来说，如果柱状凸轮锁卡起始位置处于位置A时活塞处于停止 位，则每开/停一次泵，柱状凸轮锁卡都动作一次，控制主轴也向前动作一次，活塞的位置 （实际效果）将依次为（停止位，停泵）一第一工作点（开泵）一停止位（停泵）一第二工 作点（开泵）一停止位（停泵）一第一工作点（开泵），如下图2-42所示。图2-42开关泵次数与可调径稳定器AGSTM舌塞的位置关系施工过程中，通过开、关泵操作就可改变稳定器外径，稳定器

34、外径的改变及保持何种 工作状态都只与泵压有关，而与施加在钻头/稳定器上的钻压无关。实际施工过程中，对于 确切了解稳定器处于何种工作位置是十分重要的，一方面可以通过记录开关泵次数追踪记录 稳定器的实际外径大小，另一方面也可以根据泵压的大小来判断稳定器外径的大小。具体的 方法就是：开泵至正常工作状态，记录下此时的泵冲、排量及立管压立。然后停泵，再开泵 至正常工作状态，在确保泵冲、排量与前一次开泵的参数一样的情况下，比较两次开泵泵压 的变化情况。如果泵压降低，说明上一次稳定器全部伸出(稳定器处于工作位置2)，此时 稳定器处于工作位置1。反之则正好相反。、主要特点：、定器尺寸时，只需将钻具提离井底，通

35、过开泵循环即可实现，稳定起尺寸及状态的 控制与钻压无关。、系统有两种可调外径，操作简单；、通过立管压力的大小可准确判断井下稳定器的实际工作尺寸；、摩阻小，磨损底，可满足长时间工作的需要；、从5-3/8”到17-1/2”的变化范围，能适用于绝大部分井眼的施工。(3)、技术规范表2-29列出了 Sperry-Sun的可变径稳定器AGStm主要技术参数。表2-29 Sperry-Sun的可变径稳定器AGStm主要技术参数适用井眼尺寸5-7/87-7/88-1/29-7/811-3/412-1/417-1/2688-3/412-1/46-1/86-1/4起下钻与井壁 最小间隙11-3/41-3/42-

36、3/82-1/82-1/82-3/4长度8.39.89.810.110.110.18.3本体外径4-3/46-1/26-3/47-3/48-1/49-1/29-1/2翼片伸出/缩回5-7/8 /5-5/87-7/8 /7-1/48-1/2 /7-7/89-7/8 /9-1/211-3/4 / 1112-1/4 / 11-1/217-1/2 /16-3/4扣型外径上部扣型6 /1/26 /5-5/86 /5-3/41/4 /5-3/46 /5-7/83-1/2API IF7-7/8 /7-5/88 /7-5/88 /7-1/24-1/2API IF下部扣型3-1/2API IF4-1/2API

37、IF工作温度0-400Psi0-400Psi工作压力450/2000Psi450/2000Psi压力变化幅度150-250Psi150-250Psi8-1/2 /88-3/4 /8-1/28-3/4 /8-1/44-1/2API IF4-1/2API IF0-400Psi450/2000Psi150-250Psi6-5/8API REG6-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi11-3/4 /1/41/4 /11-1/26-5/8API REG6-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi7-5/8API REG7-5

38、/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi7-5/8API REG7-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi2、Halliburton公司的可变径稳定器TRACStm用可变径稳定器通过转动钻进的方式来控制轨迹井眼井斜的变化、从而通过转动方式在 上下范围内调整轨迹这一技术在世界上许多地区已经获得了成功的应用。利用可变径稳定器 通过转动钻进的方式来控制轨迹，可以有效避免大曲率井段，同时因减少滑动施工而大幅度 提高全井的钻井速度。但是常规可变径稳定器由于存在诸多局限性，使得可变径稳定器在使用过程中也存在一 定的不足之处，包括因

39、地层变化轨迹需要进行大范围内的调整，而用可变径稳定器难以实现 轨迹的调整；在大斜度井段，由于钻具存在过大的摩阻，使得钻压不能传递到钻头上，因难 以确定钻头的真实钻压而使轨迹难以控制；可变径稳定器外径的实际尺寸难以确认，有时必 须通过起钻来确认可变径稳定器实际尺寸后再下井施工，降低了施工的效率；此外，可变径 稳定器外径变化范围小，不能充分发挥其控制轨迹的优势作用等等。Halliburton公司的可变径稳定器TRACStm采用全新的设计原理，其外径大小的设置由 地面开/关泵时间序列及时间长短来控制，稳定器变径后的工作状态由开关泵状态来实现(开 泵稳定器翼片伸出至设计位置，关泵翼片缩回)，通过泥浆脉

40、冲将稳定器当前位置传递至地 面，同时增大了外径的可调范围，使得其对轨迹的控制能力、用于施工的可靠性及其本身的 机械物理性能都得到了大幅度提高。(1)、主要结构TRACStm主要由上下两部分组成，所示。上面部分由微处理器、电池、控制系统组成。 微处理器主要检测地面传递下来的信号及探测/控制稳定器状态，并将信号传递给脉冲发生 器。电池为系统微处理器及控制系统工作提供能量。控制系统主要是设置定位活塞的位置。Halliburton公司的可变径稳定器TRACS下面部分由定位活塞、流管、复位弹簧、下压轴棒、稳定器翼片、翼片轨道、上推轴棒 及活塞共同组成。定位活塞主要用于稳定器尺寸定位。流管是泥浆流过的通道

41、。复位弹簧是 在停泵后将翼片收回，稳定器翼片实现稳定器尺寸的调整。下压轴棒、翼片轨道、上推轴棒 及活塞等部分主要为了协助稳定器正常、有序工作。（2）、TRACSTM的主要应用1、不需要换钻具就能实现轨迹的井斜角的控制；2、连续旋转钻井方式提高了井眼的清洁能力；3、可以优化钻井参数，使得实钻轨迹更加平滑；4、减少随钻施工，提高了机械钻速，提高了全井施工的效益；5、降低摩阻和扭矩，提高了井下施工的安全；6、可以使轨迹最大限度的向前延伸，可减少油田开发平台，提高单井产量。（3）、系统主要特征1、可调稳定器外径调整范围大，能最大限度的满足井斜控制的需要；2、稳定器外径调整过程简单，不依靠钻压、泥浆排量

42、就可进行；3、稳定器外径实际尺寸在开泵后能传递至地面，避免了盲目施工；4、施工需要的立管压力低，适用于大排量施工。（4）、外径调整及双向通讯施工过程中，调整可变径稳定器TRACStm的外径时，不是采用传统的方法，如通过给 工具施加压力、控制泥浆流量、转动钻具等，而主要是利用开/关泵及控制开/关泵时间以向 井下工具传递信号来完成。根据前面的叙述可以知道，TRACStm上部组成部分由微处理器、电池及控制系统组成。 微处理器中有一个检测钻具内泥浆流量的传感器，它时时检测钻具内泥浆流动情况以及泥浆 流动的时间顺序及长短。需要改变TRACSTm的外径时，在地面通过开/关泵操作并控制开/ 关泵时间的长短，

43、就能实现由地面向井下信号的传输。井下TRACStm中的微处理器通过对 检测到的地面传递下来的开/关泵序列及时间长短形式的信号进行辨认后，就将地面需要的 尺寸信息传递给控制机构，控制机构自动控制定位活塞的位置。施工时，开泵钻具内的泥浆 压力通过活塞将稳定器翼片推出，从而实现了在地面对TRACStm外径的调整。上面所述的在地面通过控制开/关泵操作序列及时间长短向井下传递信号的方法就是地 面-井下通讯方法。同时，正式施工每次开泵时，微处理器都会将最后一次接收到的地面指 令（指定稳定器位置）、开泵后测量到的实际稳定器位置、稳定器是否真的进入制定位置以 及控制模板自动诊断信息通过脉冲发生器传递到地面，从

44、而实现了井下-地面间的通讯。地 面施工人员可以根据井下传递至地面的信息，再次确认井下稳定器的工作状态和状况，确保 施工万无一失。（5）、技术规范表2-30列出了可变径稳定器TRACStm主要技术规范。表2-30可变径稳定器TRACStm主要技术规范连接扣型上部扣型4-1/2 IF,Box下偶部扣型4-1/2 IF,Box总长4.0m本体外径翼片部分178mm端部165 mm重量432Kg适用井眼尺寸213-222mm最大排量2500 LPM可调范围184-216mm压力降75Psi活塞数量可选择最高工作温度150C钻头、动力钻具压降750-2000Psi三、随钻震击器在导向钻井施工中，井下钻具

45、都带有随钻震击器，当钻井施工过程中发生卡钻事故时， 能及时启动随钻震击器进行连续的上击或下击，使钻具解卡，达到预防、消除井下复杂事故 的目的。随钻震击器种类很多，在此对Sperry-Sun公司的震击器SledgehammerTM加以介绍。Sperry-Sun公司的随钻震击器SledgehammerSperry-Sun公司的 Sledgehammer HMD （Hydro-Mechanical Drilling Jar）液压-机械震击 器配置于钻具底部，主要用于在井下钻具发生粘卡的情况下，对钻具产生震击，从而使钻具可以自由活动，防止/消除井下事故。当需要震击时，司钻控制钻具在震击器上施加一定的压

46、力，当压力达到震击器的产生震 击动作，对钻具产生向上或向下的震击。向上的震击力的大小取决于施加在震击器上的负荷 的大小，负荷越大，震击速度越快，震击器力越大。向下的震击力的大小取决于震击器设计 的机械触及机关被打开或关上的额定负荷，其震击力的大小是一定的，但是可以向上或向下 震击。1、Sledgehammer随钻震击器的工作方式SledgehammerTM震击器主要由机械式震击器和液压式震击器共同组成。机械、液压震 击器中都含有一个震击锤和砧板，机械式震击器有一个机械触发机关，控制机械式震击器产 生震击动作；液压式震击器有一个缓冲冲程，控制液压式震击器产生震击动作。当震击器承 受的负荷（向上的

47、拉力或向下的压力）达到震击器产生震击动作的额定负荷时，机械式震击 器内的机械触发机关被打开或关闭，或者液压式震击器的缓冲冲程结束，震击锤被激发，在 震击器的自由冲程里面向上或向下运行，撞击砧板，这样就产生了等于施加于震击器上的负 荷上的几倍的震击力。当需要再次震击时，重复给震击器施加负荷，震击器就会产生重复的 震击动作，直到钻具自由为止。在这里所说的机械式或液压式震击器，主要是指机械触发机关而言。两种震击器除机械 触发机关不同外，其它方面的结构或工作机理都一样。（1）、机械式震击器机械式震击器主要是指其触发机关是机械式的，对机械式震击器而言，只有当震击器承 受的负荷大于其动作的额定负荷时机械式

48、触发机关动作，震击器才发生震击动作并立即产生 强大的震击作用。机械式触发机关有“全关”和“全开”两种状态，当施加于震击器上的负 荷试图“打开”触发机关时，震击器处于伸长状态，当触发机关被触动时，震击器向上震击。 相反，当施加于震击器上的负荷试图“关闭”触发机关时，震击器处于压缩状态，当触发机 关被触动时，震击器向下震击。震击锤一般被锁定在其冲程范围内的中间位置，这样便于震 击器随时向上或向下震击。（2）、液压式震击器液压式震击器具有和机械式震击器一样的上、下冲程、震击锤和砧板，不同之处在于， 在上、下冲程之间是一段缓冲冲程（而不是机械触发机关），因此液压式震击器的冲程被分 为三个部分，即上冲程

49、、缓冲冲程、下冲程。当在震击器上施加负荷时，就会推动震击器里 面的活塞在缸套里面运动，强迫缸套里面的液压油从一边往另一边流动。当活塞运动到缓冲 冲程的末端时，震击锤被释放，撞击砧板，从而产生震击效果。对于液压式震击器而言，由于缓冲冲程的存在，无论施加多大的负荷，无论负荷是忽然 施加的还是逐渐累加的，震击器产生震击需都要一定的延迟（缓冲）时间，这样也使产生的 震击力可以根据需要调整，因为在产生震击所需要的延迟（缓冲）时间内，震击器上的负荷 可以逐渐累加到高于其额定震击负荷的力，而负荷越大，震击动作时间越短，产生的震击力 越大。一般来说，液压式震击器的典型的延迟时间为10到40秒，但当负荷慢慢逐步

50、累加时， 产生震击的延迟时间最长可达5分钟。大部分液压式震击器都不能保证活塞正好处于中间冲程位置，因此一次震击动作完成 后，必须使震击器回到重新激发的状态才能进行下一次震击。Sperry-Sun公司的Sledgehammer震击器将机械、液压式震击器组合成一体，其中机 械式震击器向上或向下震击，液压震击器向上震击。SledgehammerTM震击器还具有一个重 要的特点，那就是在机械式震击器上方增加了一个机械触发机关，调整震击器处于中间冲程 位置，这样就使震击器时刻处于向上或向下激发的状态，可及时消除常规钻井施工过程中的 任何井下粘卡事故。2、Sledgehammer震击器具有以下特征：、液压

51、震击部分向上震击，机械震击部分向上或向下震击，功能多样化但操作简单；、全套工具采用温度补偿，可有效避免因高温、拉伸或震击而造成的工具或部件脱落 现象的发生；、采用整体密封设计方案，良好的密封效果使泥浆难以进入震击器内，从而避免了泥 浆对工具的腐蚀，延长了工具的工作寿命；、工具工作实现了机械化，震击器始终处于工作状态，随时可以向上或向下震击，从 而可有效避免常规钻井施工过程中出现的井下粘卡事故；震击器工作过程中，配件机械磨损达到最小，可以满足长时间工作的需要。3、技术规范表2-31列出了 Sledgehammer震击器的主要技术规范表 2-31 Sledgehammer震击器的主要技术规范震击器

52、尺寸单位（in）4-3/46-1/26-3/4899-1/2震击器外径mm122165175206232244震击器内径mm516470707676标准扣型NC38NC465 H 906-5/8REG87-5/8 REG7-5/8 REGNC50总长m6.256.536.66.816.866.86重量Kg405850930132516901890额定向上震击负荷daN3600054000600007100071000710003:1 Latch3300054000540006000060000600002:1 Latch220003600036000400004000040000下击力daN1

53、10001800018000200002000020000上击力daN3600060000710009800098000110000震击后的拉伸负荷最大拉伸负荷轴心面积冲程一上击冲程缓冲冲程一下击冲程工作温度适应最高温度daNN-mmm2mmmmmmmmrc13000020500714321321481521212042904950012141315212813412120434000058500133.743215212815212120442500095000154432152128152121204450000128000198432152128152121204530000130000

54、198432152128152121204四、减震器Sperry-Sun 公司的减震器 Shock Tool井下钻具的震动不仅会缩短钻头的寿命，而且降低钻井速度，增加钻井成本。使用该减 震器，不论钻压、井深、压降及泥浆比重如何，都能吸收钻具的震动，同时减少钻头的弹跳， 从而延长MWD/LWD电子线路的寿命。该减震器直接安装在钻头上方以保持钻具的震动量最小，有效减少震动和工具的加速运 动，从而确保钻头一致位于井底。Shock Tool减震器具有以下特征：1、采用静水压力平衡技术；2、利用平衡活塞对温度进行补偿；3、能朝两个方向进行弹性运动，有效降低开泵产生的巨大震动对钻具造成的影响；4、最低的摩

55、擦传动使工具可以在垂直方向自由运动，延长了花键的使用寿命；5、能够在温度高达204C的环境中工作。Shock Tool主要作用：1、有效减少钻具、钻头的震动；2、降低钻头弹跳；3、减少钻头的冲击负荷，延长钻头的使用寿命；4、提高钻井速度；5、降低交变应力对钻具造成的损害。图2-44 Sperry-Sun公司的减震器Shock Tool结构示意图表2-32Sperry-Sun公司的减震器ShockTool的主要技术规范工具尺寸单位6-1/2899-1/2外径（新）mm165206232241内径mm51637171上部工扣扣型NC46(4IF) NC50(4-1/2IF)6-5/8 REG7-5

56、/8 REG7-5/8 REG7-H907-H90 Lo-Torq7-5/8 REG7-5/8 REG7-H907-H90 Lo-Torq下部扣型(1) BOX4-1/2 REG6-5/8 REG7-5/8 REG7-5/8 REGPIN与上部扣型一样与上部扣型一样与上部扣型一样与上部扣型一样五、井下液压加压器在导向钻井过程中，由于采用滑动施工方式井下钻具受到的摩阻大，钻具到一定的深 度后，难以继续前行，难以达到提高油层裸露面积、提高油田开发效益的目的。井下加压工具能够利用泥浆压力给下部钻具施加动力，使下部钻具继续前进，能使轨 迹最大限度的向前延伸，同时该工具还能减少下部钻具的轴向振动、涡动，

57、延长井下钻具 的寿命。目前，现场使用的井下加压工具都是以液压为动力的液压加力器，它以钻井液为动力 源，借助钻头喷嘴压降产生轴向压载荷，为钻头及前部钻具向前运动提供钻压和运移能力。使用井下液压加力器具有以下优点：1、下液压加力器是利用液压传递作用力的，消耗的功率不多，具有良好的减振效果。2、井下液压加力器可以广泛用于导向钻井施工过程中，有效解决了斜井、水平井和小 井眼、大位移井钻井中加压困难的问题。3、使用井下液压加力器，提高了机械钻速，减小了轴向振动，减轻了钻头和钻杆的振 动，延长了钻头的使用寿命。4、更重要的是使用推进器后，减少了起下钻次数，减轻了操作人员的劳动强度。5、井下液压加力器可单独

58、使用，也可与其它井下动力钻具（如井下动力钻具）等配合使 用，能实现自动送钻，补偿失控了的滑动钻进，也可作为下放钻具的缓冲段，防止溜钻事故 等发生。第二部分、地质导向工具随着近几年水平井钻井技术的发展，水平井钻井技术逐步发展成了开发油气资源的主要 方法。但是，随着小型油气聚集层、薄油气层的开发，如何利用水平井钻井技术来获得以上 油藏最佳的开发效果是常规水平井钻井技术面临的一大挑战。使水平井钻井技术获得突飞猛进的发展的基础是LWD和MWD在水平井钻井技术中的 成功应用。LWD为水平井钻井随钻地质评价提供实时数据，MWD使轨迹得以精确控制。 这两工具的成功应用无疑增加了水平井钻井技术的活力，但是也存

59、在不足之处，那就是随钻 地质评价仪器离钻头太远，即使采取种种措施也不能使实钻轨迹完全在油层中，从而降低了 油藏开发效果。在小型油气聚集层、薄油气层的开发过程中，随钻地质评价仪器离钻头太远会带来很多 不理想的后果，主要包括以下几方面：1、确定水平井的EP点不精确水平井EP点以前的施工一般都是用几何导向的方式来控制井眼的轨迹，LWD虽然能 识别目的层位，但是由于地质评价仪器过于滞后钻头，当随钻地质评价仪器对真正的目的层 有反应（此时应能进行地质导向）时，钻头的实际位置可能已经超过了实际目的层或已经离 目的层很近，这时为了尽快调整轨迹进入目的层，就必须增加轨迹的狗腿度，有时要进行大 规模的调整轨迹才

60、能进入目的层，从而错过了轨迹进入目的层的最佳时间和位置，降低了轨 迹在油层中的穿行距离。2、不能确保轨迹一直在产层中穿行薄油层上下边界窄，LWD离钻头太远，对边界的识别就有一定的滞后时间，当地层发 生变化或轨迹控制不能始终如意时，实钻轨迹就会进入上、下边界，这时即使轨迹调整及时， 实钻轨迹也会或多或少地跑出目的层，从而降低了轨迹在油层中的穿行率。3、不能有效避开油/气、油/水界面水平井钻井施工，最佳的效果是控制轨迹在油层中。LWD离钻头太远，对油/气、油/ 水界面的识别不及时，实钻轨迹很容易进入气层或水层，从而影响油井的产量甚至会带来严 重后果。4、不能及时发现、避开断层水平井施工过程中经常碰